三参数电磁能量收集装置机电耦合性能研究

《三参数电磁能量收集装置机电耦合性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、三参数电磁能量收集装置机电耦合性能研究刘海平，史文华（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）摘要：以电磁能量收集装置作为研究对象，考虑装置机械振动部分结构形式的差异，分别建立三参数和两参数电磁能量收集装置的系统模型。通过引入无量化参数，以单频简谐激励作为环境载荷给出两类能量收集装置的位移响应和电流响应的解析表达式。分别考虑电路部分和机械振动部分各主要设计参数进行影响因素分析，对比研究了两类能量收集装置的机电耦合性能。为了更直观比较不同类型能量收集装置的能量转化性能，将输入到电路外部负载的平均电功率作为考

2、核指标。结果表明：改变机械阻尼比和三参数系统的刚度比，可显著提升能量收集装置的机电耦合性能和能量转化特性。同时，三参数系统输入电路外部负载的平均电功率也大于两参数装置。仅改变电路部分的参数，对两类能量收集装置的影响相同；但是，通过同时调整机械阻尼比和三参数系统刚度比可增强三参数能量收集装置的能量转化效率。关键词：电磁；能量收集装置；机电耦合；三参数；两参数中图分类号：TH113;TH122;O324文献标识码：A文章编号：收稿日期:修订日期:(日期待编辑部填写)基金项目:国家自然科学基金资助项目(514050

3、14)引言常见的电磁能量收集装置，其机械振动部分多为典型的两参数系统，相关研究成果也较多[1-8]。相关研究工作主要集中在两方面：一方面，主要通过优化永磁体组合形式，改善磁场空间分布特性，提高装置的发电效率；另一方面，已有相关研究较少关注装置的振动抑制性能。2015年，加拿大学者提出一种混合型电磁能量收集阻尼器[9]，通过将粘滞活塞阻尼器与永磁体串联，实现振动抑制和能量收集双重功能。该混合能量收集阻尼器的机械振动部分是一个典型的三参数系统。文献[9]分别就活塞式阻尼器的阻尼力输出和永磁体的磁场强度进行优化设计

4、，但并未对混合能量收集阻尼器的机电耦合性能进行深入讨论。根据已有研究表明：从振动抑制角度，三参数系统的力学性能明显优于两参数系统[10-13]。但是，针对三参数电磁能量收集装置与两参数电磁能量收集装置的机电耦合性能的对比研究较少见诸报道。从以上问题出发，针对文献[9]提出的混合型电磁能量收集阻尼器，分别建立三参数和两参数电磁能量收集装置的机电耦合模型，并给出解析表达式。利用所建模型，参数化对比研究了两类装置的机电耦合特性。研究成果可为电磁能量收集装置的优化设计提供一定参考。1电磁能量收集装置建模图1给出三参数

5、电磁能量收集装置的机电耦合系统模型。为了便于对比，图上还给出常规两参数电磁能量收集装置的机电耦合系统模型。图1不同电磁能量收集装置机电耦合系统模型：（a）两参数系统，（b）三参数系统Fig.1.Electromechanicalcouplingmodelsfordifferentenergyharvesters:(a)two-parametersystem,(b)three-parametersystem1.1机电耦合性能机电耦合系统瞬时功率：（1）其中，Fe为电路阻尼力，V为线圈中的感生电压，I为电路中的电

6、流，z=x-y为永磁体与线圈之间的相对位移。收稿日期:修订日期:(日期待编辑部填写)基金项目:国家自然科学基金资助项目(51405014)根据法拉第定律，线圈中的感生电压幅值：（2）其中，φ为磁通量。将式（2）代入式（1），得到：（3）此处，假设磁通量空间变化量为常数。实际中，磁通量随着永磁体形状以及空间位置发生变化。为了便于分析，本文暂不考虑磁场空间分布特征的影响。假设磁通量空间变化量为常数，可保证能量收集装置的系统模型为线性。1.2两参数电磁能量收集装置模型根据基尔霍夫电压定理，得到：（4）其中，Le为线

7、圈电感，Re为线圈内阻，R为电路外部负载电阻。对图1（a）所示两参数机械系统，得到：（5）其中，M为永磁体惯性质量，K为弹簧刚度，C为机械系统阻尼系数，d2y/dt2为基础加速度。为了便于分析，对式（4）和式（5）定义无量纲参数：，，，，，（6）其中，ζ为阻尼比，ω为固有频率，τ为无量纲时间，l为系统允许永磁体的最大位移，Im为电流阈值或参考电流。将式（6）代入式（4）和式（5），得到：（7a）（7b）其中，上标·表示相对无量纲时间的导数。式（7）中部分参数：，，（8）根据式（8），通过改变电路电感Le可同时

8、改变参数α和β；仅改变电路电阻可改变参数α。因此，通过调整参数α和β可研究电路电感和电阻对电磁能量收集装置机电耦合性能的影响。1.3三参数电磁能量收集装置模型对图1（b）所示三参数机械系统，得到：（9a）（9b）其中，Ka为主弹簧刚度，Kb为并联弹簧刚度，Ca为机械系统阻尼系数。对式（9a）两边求导，得到：（10）联列式（9a）、（9b）和（10），得到：（11）其中，N为刚度比，即Kb=NKa。定